einde heelal

Animatie van de laatste dagen van het heelal in een Big Crunch. Bron: Wikimedia Commons.

‘Universum dreigt spoedig ineen te storten’

Donkere energie en de versnelde uitzetting van het heelal die daarmee samenhangt, is een symptoom van de spoedige ineenstorting van het heelal. Spoedig, in kosmologische tijdschaal althans. Dat zeggen de fysici Nemanja Kaloper van de Amerikaanse University of California, Davis en Antonio Padilla van de Britse Universiteit van Nottingham. Dreigt ons heelal binnen enkele tientallen miljarden jaren onleefbaar te worden?

Steeds snellere uitzetting
Sinds de jaren dertig weten we dankzij de Amerikaanse astronoom Hubble, dat het heelal uitzet. Ongeveer 13,8 miljard jaar geleden was het heelal zeer klein en dicht. Sinds die tijd zet het heelal sterk uit, waardoor het waarneembare heelal zijn huidige grootte heeft bereikt. Einde twintigste eeuw ontdekten kosmologen iets opmerkelijks. De uitzetting van het heelal verloopt steeds sneller. De kosmische constante lambda die door Einstein in het leven was geroepen om het heelal statisch te houden en afgedankt, is nu weer uit de mottenballen gehaald om dit vreemde effect te beschrijven. Zogeheten donkere energie zou verantwoordelijk zijn voor dit proces.

In een nieuw artikel, gepubliceerd in het gezaghebbende blad Physics Review letters, beschrijven de twee natuurkundigen wat zij als ‘kosmologische ineenstorting’ aanduiden als verklaring voor dit proces. Op grond van hun berekeningen zal het heelal zoals wij dat kennen, over enkele tientallen miljarden jaren in elkaar storten. In onderstaande video beschrijft een van hen, Joseph Padilla, hun ontdekking.

Cosmological Constant & The End of the Universe - Sixty Symbols

Vacuümenergie en ineenstorting

Animatie van de laatste dagen van het heelal in een Big Crunch. Bron: Wikimedia Commons.
Animatie van de laatste dagen van het heelal in een Big Crunch. Bron: Wikimedia Commons.

Het vacuüm is niet leeg. In een gegeven stuk ruimte springen er voortdurend paren van deeltje en antideeltje te voorschijn om binnen de onzekerheidsmarge weer te verdwijnen. Deze deeltjesparen dragen bij aan de energie van het vacuüm, die daarom enorm is (volgens sommige, bepaald niet onomstreden, berekeningen 1096 kg*c2 per kubieke meter), die vervolgens via allerlei kunstgrepen wordt “gerenormaliseerd” tot bijna nul. Andere kosmologen gaan liever uit van de waargenomen dichtheid van donkere energie, rond een tienmiljardste joule per kubieke meter, en zetten hiermee de totale massa van virtuele deeltjes op nul [2]. Dat is uiteraard veel minder, maar gezien het enorme volume van het heelal toch nog een aanzienlijke hoeveelheid energie. Deze vacuümenergie is betrokken bij de ineenstorting: deze wordt als het ware opgeslagen (gesequestreerd).

 Wat gebeurt er nu precies?
Volgens Padilla en Kaloper is de huidige fase van versnelde uitzetting een verschijnsel dat samenhangt met het beginstadium van de ineenstorting. Dat zou betekenen dat de ineenstorting enkele tientallen miljarden jaren na nu zou plaatsvinden.  Gelukkig, gesteld dat ze gelijk hebben, duurt dat nog heel lang, en hebben we nog ruim de tijd om een methode uit te dokteren om de ineenstorting van het heelal te overleven. Bijvoorbeeld door naar een ander heelal te ontsnappen.

Bron
1. Nemanja Kaloper and Antonio Padilla. “Sequestration of Vacuum Energy and the End of the Universe.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.101302
2. Vacuum, John Baez, homepage op University of California-Riverside, 2013

Tachyonen zijn hypothetische deeltjes die alleen sneller dan het licht kunnen reizen.

Wat gebeurt als de tijd stopt?

Wat zou er gebeuren als van het ene op het andere moment de tijd plotseling stil zou komen te staan? Tot nu toe was dat metafysische speculatie, maar natuurkundige Igor Smolyaninov is er in geslaagd het Einde van de Tijd na te bootsen. In een onverwacht alledaags materiaal. Wat gebeurt er als de tijd letterlijk opraakt?

Universum nabootsen in grafeen
Natuurkundigen vinden steeds meer fysische systemen die gebruikt kunnen worden als model van ruimtetijd. Zo kunnen ze spelen met de algemene relativiteitstheorie in een systeem dat wiskundig gezien erg lijkt op ruimtetijd. Een paar voorbeelden: elektronen in grafeen, het kippengaas van koolstofatomen dat de ontdekkers een Nobelprijs opleverde, gedragen zich bij afkoelen ongeveer zo als het universum vlak na de Big Bang waardoor natuurkundigen in staat zijn, door grafeen te koelen meer te weten te komen van het vroege heelal.

Elektromagnetische ruimte

Het Einde der Tijden - wat zou er gebeuren? - Bron: Flickr
Het Einde der Tijden – wat zou er gebeuren? – Bron: Flickr

Een ander voorbeeld is de wiskundige gelijkenis tussen licht in een elektromagnetische ruimte (doorzichtig medium) en in ruimtetijd. Fysici hebben kort geleden ontdekt hoe ze in deze elektromagnetische ruimte dingen kunnen aanleggen als kwantumschuim, de Big Bang, zwarte gaten en zelfs het hele multiversum. Moeilijk te overtreffen, maar Igor Smolyanov is er nu toch in geslaagd. Hij heeft in zijn nieuwste experiment het einde van de tijd gemodelleerd.

Experimenteren met het einde van de tijd
Smolyaninov’s techniek maakt gebruik van metamaterialen. Metamaterialen kunnen zo worden samengesteld dat ze zich gedragen als een tweedimensionale ruimte met een tijddimensie. Overigens kan andersom ook: twee tijddimensies en één ruimtedimensie, bijvoorbeeld. Metamaterialen zijn veelzijdig.
Volgens Smolyaninov ontstaat een interessante situatie als de twee materialen tegen elkaar worden gezet. Als de tijddimensie loodrecht op de ruimtedimensie staat, eindigt de tijd domweg plotseling, aldus Smolyaninov. Hij noemt deze situatie het Einde der Tijden.

In hun experiment lieten de experimentatoren ruimtetijd overgaan  in een Euclidische ruimte (dus zonder tijd). Ze bouwden dit scenario na in metamaterialen met optische eigenschappen die lijken op de eigenschappen van ruimtetijd. Hiervoor gebruikten ze de plasticsoort polymethyl methacrylaat (PMMA), beter bekend als perspex of plexiglas. Dit materiaal werd in stroken op een goudlaagje aangebracht. Het licht beweegt zich in de vorm van plasmons (een soort energievibraties die langs een oppervlak reizen) langs dit oppervlak. Er werden twee kosmologische situaties nagebootst: het einde van de ruimte en het einde van de tijd.
Het einde van de ruimte leidt tot een Rindler-horizon, iets dat veel weg heeft van een waarnemingshorizon,  en liet de door Hawking al voorspelde Hawkingstraling zien.

Maar wat gebeurt er aan het einde van de tijd?
Volgens Smolyaninov divergeert het elektromagnetische veld aan het einde van de tijd (m.a.w. waaiert uit). Volgens het Physics Blog van MIT Technology Review een vrij saaie ontwikkeling, maar wie weet is dat precies wat er nu gebeurt. Immers, er lijkt een geheimzinnige invloed, de donkere energie, het heelal steeds sneller uiteen te rukken. Zou het einde der tijden steeds sneller naderen? Kunnen we op tijd uit dit heelal ontsnappen? De zaak blijft interessant.

Bron
Igor I. Smolyaninov et al., Hyperbolic Metamaterial Interfaces: Hawking Radiation From Rindler Horizons And The “End Of Time”, 2011

De enorme supercomputer Columbia van NASA slurpt nu nog megawatts aan energie. Dit wordt anders, stellen informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan.

Terugrekenen stopt energiegebruik

Goed nieuws voor hen die zich zorgen maken over het exploderende energiegebruik van stroomvretende computers en serverparken. Omkeerbare rekenlogica kan in theorie het energieverbruik van een computer terugbrengen tot nul. Helaas zitten er nog heel wat haken en ogen aan het in de praktijk brengen van dit idee, maar de gevolgen zouden enorm verstrekkend zijn. Ook in de verre toekomst. Leven kan dan namelijk bestaan zonder energieverbruik…

Computers slechts voor 0,000001% efficiënt
Op dit moment is de discussie academisch. Op dit moment wordt slechts een honderdmiljoenste deel (dat is een één met acht nullen er achter) van het totale vermogen van een computer gebruikt om de daadwerkelijke berekening te produceren. De rest is in feite overbodig: weerstand, bewegende mechanische onderdelen en dergelijke.

Rekenen, wanorde en warmte

Informatie staat gelijk aan wanorde (entropie, zegt een natuurkundige). Een maat voor wanorde is namelijk hoeveel informatie je nodig hebt om een systeem te beschrijven.
Je kan een bak met een laag van duizend witte knikkers onder een laag van duizend zwarte knikkers in minder woorden precies beschrijven dan een bak waarin de zwarte en witte knikkers lukraak door elkaar liggen. Anders geformuleerd: stel dat je bak met knikkers een bepaalde boodschap bevat, bijvoorbeeld in morse-code. waarbij één zwarte knikker staat voor een punt en twee zwarte knikkers voor een streep.  Hoe langer de boodschap in je bak, hoe wanordelijker de knikkers door elkaar lijken te liggen.
Het verband gaat nog dieper: de entropie is maximaal als je je informatie optimaal gecomprimeerd hebt. Vandaar dat het begrip entropie niet alleen in de natuurkunde, maar ook in de informatietechniek opduikt.

Vallende suikerkorrel drijft pc aan

Hoe kleiner computers worden, hoe dichter de thermodynamische limiet wordt benaderd, dus een hoe groter percentage van alle energie die een computer gebruikt, daadwerkelijk in een berekening terecht komt. Stel je bereikt die limiet, dan kan je een computer met het rekenvermogen van een moderne pc laten lopen op minder dan een microwatt vermogen (het vermogen dat nodig is om een flinke suikerkorrel in de lucht te houden). Je zou dan door te trappen op een hometrainer een tiende van alle pc’s in de hele wereld van energie kunnen voorzien.

De enorme supercomputer Columbia van NASA slurpt nu nog megawatts aan energie. Dit wordt anders, stellen informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan.
De enorme supercomputer Columbia van NASA slurpt nu nog megawatts aan energie. Dit wordt anders, stellen informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan.

Gratis berekening
Dit is natuurlijk al heel mooi, maar van een nieuwe theoretische doorbraak van informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan (universiteit van Zuid Florida)  zijn de gevolgen pas echt hallucinerend.

Houd je vast. Je kan namelijk het energieverbruik terugbrengen tot precies de informatieinhoud van het eindresultaat door vanuit alle resultaten waar je niets aan hebt, weg te gooien. Ja, u leest het goed. Een energietechnisch gezien gratis berekening. Vergelijk het met een magische fabriek waar je afval ingooit en kant en klare auto’s, kleding en huisraad voor terugkrijgt (en alleen het energieverschil tussen het afval en de producten hoeft te betalen).

Terugrekenen en logisch omkeerbare poorten
Het geheim: inverse computing, terugrekenen. Dat kan met omkeerbare logische poorten (logische poorten zijn de basiselementen van iedere computer).

Op dit moment bestaan die omkeerbare poorten (m.u.v. de NOT-poort) nog niet. Een eis aan een omkeerbare poort is dat deze geen informatie weggooit. Standaard logische poorten zoals die in bestaande computers (bijvoorbeeld een OR-poort, die ‘waar’ zegt als ingangssignaal 1 of ingangssignaal 2 waar zijn) gooien informatie weg: stel je weet dat een OR-poort ‘waar’ zegt, dan weet je niet of de poort ja zegt omdat ingangssignaal 1 waar is of omdat inganggsignaal 2 waar is. Die informatie is verloren gegaan, weggegooid. Je kan dan niet meer terugrekenen. Al onze bestaande poorten gooien informatie weg en zijn dus onbruikbaar voor reverse computing.

Logische poorten
De computers zoals wij ze kennen doen in feite niets anders dan bits, die elk bestaan uit een nul of een één, met elkaar vergelijken. Dat vergelijken gebeurt in logische poorten. In de chips van een pc zitten er vijf: AND, OR, NOT, XOR en XNOR.
Een AND (en)-poort geeft een 1 (waar) als de eerste en de tweede bit allebei 1 (waar) zijn. Anders een nul (onwaar).
Een OR (of)-poort geeft een 1 als de eerste bit, de tweede bit of allebei bits 1 zijn.
Een XOR (exclusive OR, wat wij in het dagelijks leven met ‘of’ bedoelen)  geeft een één als de eerste bit verschilt van de tweede bit (dus nul en een of een en nul), anders een nul.
De XNOR (exclusive not or) geeft juist een 1 als beide bits aan elkaar gelijk zijn en anders een nul.
De NOT-poort, tenslotte, kent maar één bit als invoer en keert die om. Dus nul wordt één en andersom. Bij alle poorten met uitzondering van NOT wordt er dus informatie weggegooid, je kan niet terugrekenen.

Foutcorrectie
Door de beginwaarden terug te berekenen van het eindresultaat kan wordt getoetst of de berekening wel klopt. Dat kan met inverse logische poorten. Goed nieuws is dat voor kwantumcomputers inverse poorten toch al vereist zijn. Het lijkt er dus op dat met de komst van kwantumcomputers we foutcorrectie en nul energieverbruik gratis meekrijgen.

Verre toekomst
Als alle sterren zijn opgebrand en er nauwelijks of geen vrije energie meer is, kan intelligent leven dus toch nog voortbestaan. In deze virtuele wereld zou het ervaren doorgaan alsof we nog in een reële wereld leven. Wel voor een prijs: er zou gemeten over de tijd niets veranderen, de kwantumstaat zou altijd hetzelfde blijven. Het leven zou voor eeuwig slapen tot het door een bepaald proces, een reiziger uit een ander heelal misschien, uit zij slaap wordt gewekt.